背衬对埋人混凝土中压电陶瓷电一声特性的影响.pdf
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1、第2 5卷 第 1 期 2 0 1 2年 1月 传 感 技 术 学 报 C HI N E S E J OU R NAL O F S E NS OR S A ND A CT UA T OR S Vo 1 2 5 No 1 J a n 2 0 1 2 Re s e a r c h o n t h e I n flu e nc e o f t h e Ba c k i n g t o t h e El e c t r i c i t y Ac o u s t i c Ch a r a c t e r i s t i c s o f t h e Pi e z 0 e l e c t r i c Ce
2、r a mi c Emb e d d e d i n Co n c r e t e L Pe n gc h e n g, CHEN , T AN Bi n, C HEN Ha o ( E l e c t r o n i c s a n d I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g, S i c h u a n U n i v e r s i t y , C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ) Abs t r a c t : Co n v e n t i o n a l u l t r a s o n i c p u l s e me
3、t h o d c a n n o t p r o c e s s r e a l t i me h e a l t h mo n i t o rin g t o t h e c o n c r e t e q u a l i t y, i n s t e a d p i e z o e l e c t ric e mb e d d e d c o n c r e t e a l e r t mo d u l e t h a t e mb e d d e d t h e p i e z o e l e c t r i c c e r a mi c i n c o n c r e t e, c
4、a n a c h i e v e t h e o n l i n e mo n i t o rin g o n c o n c r e t e s t r uc t u r e s B u t be c a u s e t h e e l e c t ric a c o u s t i c p e r f o r ma n c e wa s s e v e r e l y a f f e c t e d aft e r t h e p i e z o e l e c t ric c e r a mi c e mb e d d e d i n c o n c r e t e, i n c l
5、u d i n g we a k e n e r g y o f a c o u s t i c s i g n a l wh i c h c a n be s t i mu l a t e d, l o w S NR, i t i s d i f fi c u l t t o a p p l y t o t h e o c c a s i o n s w h i c h h a s s t r o n g n o i s e a n d t h i c k s t ruc t u r e t o b e d e t e c t e d T o s o l v e t h i s p r o
6、b l e m , me t h o d s t ha t c o mb i n e d me t al b a c k i n g u p o n t he p i e z o e l e c t r i c c e r a mi c e mb e d d e d i n c o n c r e t e t o i mp r o v e e n e r gy e ffic i e n c y a n d s o u n d d i r e c t i v i t y i s p r o p o s e d T i me d o ma i n a n d f r e q u e n c y d
7、o ma i n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e r e c e i v e d s i g n a l u n d e r t he c o n d i t i o ns d i f f e r e n t o f b a c k i n g t h i c k n e s s a n d d i f f e r e n t e x c i t a t i o n f r e q u e n c y a r e a n a l y z e d Th e r e s ul t s s h o w t h a t , aft e r p r o c
8、 e s s i n g o f me t a l b a c k i n g t h e e n e r gy o f u l t r a s o un d s i g n a l i n c r e a s e s 26 t i me s , a n d t h i s me t h o d d o e s n o t aff e c t wa v e f o rm a n d fre q ue n c y c o mp o n e n t s o f t h e u l t r a s o n i c s i g n al wi t h h i g h f e a s i b i l i
9、 t y Ke y wo r d s: u l t r a s o n i c t e s t i n g; c o n c r e t e; p i e z o e l e c t ric s u b me r g e d; me t a l b a c k i n g; e n e r gy E E AC C: 2 8 6 0 ; 7 2 3 0 d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 4 1 6 9 9 2 0 1 2 0 1 0 0 9 背衬对埋人混凝土 中压 电陶瓷 电一 声特性 的影 响 李鹏程 , 陈 雨 , 谭 斌 , 陈 浩 ( 13 J l
10、大学电子信息学院, 成都 6 1 0 0 6 5 ) 摘 要 : 传统超声脉冲法不能对混凝土质量进行实时健康监测, 将压电陶瓷埋入混凝土中构成的压电埋入式混凝土机敏模 块能够进行混凝土结构的在线监测 , 但由于压电陶瓷在埋入混凝土后其电一 声性能受到较大影响, 能够激励的声信号能量弱、 信噪比低, 很难应用于噪声干扰强、 待检测结构厚的场合。针对这一问题, 提出了通过在埋入混凝土中的压电陶瓷上层合金 属背衬的方法, 提高声能的利用率和指向性。分析了在不同背衬厚度和不同激励频率条件下接收信号的时、 频域特征。结果 表明, 经过层合金属背衬处理后的超声信号的能量提高了26 倍 , 且这种方法并没有
11、影响超声检测信号的波形及频率成分 , 具有较高的可行性。 关键词 : 超声检测; 混凝土; 压电埋入式; 金属背衬; 能量 中图分类号 : 0 3 4 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 4 1 6 9 9 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 4 4 0 5 混凝土结构内部可能出现 的不密实、 裂缝及空 洞区往往会影响结构的承载力和耐久性而造成不 同 程度的事故 , 所以需要对混凝土结构进行无损检测 以监测其健康状况。超声 脉冲法具 有 良好方 向 性与几何特性, 而且检测灵敏度高 , 在工程 中得到了 广泛的应用 2 - 4 。但是 , 这种方法不能对混凝土结 构健康状况进行在
12、线监测, 难以承担大型建筑设施 长期安全监测 的重 任_ 5 j 。为实现混凝 土结 构的实 时超声无损监测, 文玉梅等提出了一种将压 电材料 埋入混凝土中以实现对混凝土健康状况进行实时监 测的方法l 6 。陈雨等研究 了埋人 条件 下压电元件 在应力和温度作用下其耗散因子 、 损失特性的变化, 制作了压电埋人式混凝土机敏模块r 。该模块可 以实现对混凝土结构应力和温度的实时监测 。但该 项目来源: 国家自然科学基金项 目( 5 0 8 0 8 1 8 6 ) ; 重庆市自然科学基金项 目( C S T C, 2 0 0 8 B B 0 1 5 5 ) 收稿 日期 : 2 0 1 1 0 7
13、0 3 修改 日期 : 2 0 1 1 1 0 2 6 第 1期 李鹏程 , 陈 雨等 : 背衬对埋入混凝土中压电陶瓷 电一 声特性的影响4 5 方法通过检测埋入混凝土中压 电元件的等效参数对 应力和温度进行反推 是一种被动检测 无法实现对 混凝土 内部缺陷的主动检测。 压 电陶瓷具有逆压 电效应 , 所 以通过激励埋入 混凝土中的压电元件产生声波并通过压电换能器接 收声信号可以实现对声波传播路径上混凝土内部缺 陷的检测 。但是 , 埋人过程中, 压电陶瓷在混凝土干 缩应力的作用下 , 其 电一 声转换能性能降低 , 使产生 的声信号能量减小。声信号还会在混凝土内部传播 过程中进一步衰减 ,
14、使接受到的声信号信噪比降低 , 增加混凝土缺陷检测的误差 。文献 1 0 对埋入条 件下 的压电陶瓷圆片振 动模态进行 了仿真研究 , 研 究表 明, 薄圆片压电陶瓷厚度振动模态下声场关于 中心圆面对称分布, 而声波则沿轴向相反方向传播。 根据埋人混凝土中圆片形压 电陶瓷厚度振动模态下 声信号关于圆面对称的特性 , 本文利用声波 的反射 和透 射 特 性 , 在埋 人 混 凝 土 中的 P Z T压 电 陶瓷 ( P Z T 5 H铌镁锆钛 酸铅三元系压 电陶瓷) 一侧层合 一 定厚度的金属背衬 , 制成 了层合金属背衬 的压电 埋入式混凝土机敏模块 。分析了接收信号的能量和 时、 频域特性
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